Letvægts, slagfaste bikagestrukturer kan fornemme, når de er blevet beskadiget

En ny form for letvægts, slagfaste plastbaserede 'honningkage'-strukturer, der kan mærke, hvornår de er blevet beskadiget, kan finde anvendelse i nye former for' smart 'proteser og medicinske implantater, dens opfindere foreslår.

I et nyt papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Materialer og design , et team af ingeniører ledet af et universitet i Glasgow beskriver, hvordan de har brugt 3D-printteknikker til at tilføje nye egenskaber til en plast, der kaldes polyetheretherketon, eller PEEK.

PEEKs mekaniske egenskaber og modstandsdygtighed over for høje temperaturer og kemikalier har gjort det nyttigt til en lang række applikationer inden for luftfart, bil- og olie- og gassektorer.

Teamet tilføjede mikroskala kulfiber til deres cellulære PEEK -strukturer, giver det normalt ikke-ledende materiale evnen til at bære en elektrisk ladning i hele sin struktur.

De ville undersøge, om beskadigelse af deres elektro-ledende cellulære PEEK-komposit ville påvirke dets elektriske modstand. Hvis så, det kunne give det nye materiale evnen til at 'selvsans'-tillade et hofteimplantat, for eksempel, at rapportere, når dets ledningsevne er ændret, angiver, at den er slidt ned og skal udskiftes.

For at teste deres designs selvfølende evne, de brugte 3D -print til at oprette tre forskellige honeycomb -konfigurationer - en sekskantet struktur, en krydsformet kiral struktur, og et seks-sidet genindtræder-design, der bruger både kulfiber-PEEK-materialet og konventionelt PEEK.

Derefter, de udsatte cellulære strukturer for to typer belastninger for at sammenligne deres respektive evner til at absorbere energi. I knusningstest, hvor der påføres konstant tryk, indtil strukturen falder sammen, hvert design af kulfiber-PEEK blev bedre end sin konventionelle PEEK-pendant, som var i stand til at modstå højere tryk.

Imidlertid, i slagprøver, hvor en vægt falder fra højden på konstruktionerne, de tre kulfiber PEEK-strukturer viste større modstandsdygtighed over for skader. Den sekskantede honningkage-konfiguration af kulfiber-PEEK havde det bedste svar, modstå større påvirkninger end nogen af ​​de andre.

I knusetestene, forskerne målte også kulfiber PEEK-cellestrukturens modstand mod en elektrisk ladning, da de tre forskellige strukturer var anstrengt. Ændringen i modstandsdygtighed over for påført stamme - et mål for skadeprogression kendt som den piezoresistive følsomhed - faldt i takt med at den kompressive belastning steg, hvilket førte til et næsten fuldstændigt tab af elektrisk modstand, da konstruktionerne blev fuldstændig knust. De forskellige målefaktorer, der observeres for forskellige konfigurationer, er forbundet med deres skadevæksthastighed i overensstemmelse med deres evne til at absorbere energi, tyder på, at piezoresitiviteten af ​​kulfiber PEEK kan være en fordel i at skabe en ny generation af smarte letvægts multifunktionelle strukturer.

Dr. Shanmugam Kumar, fra University of Glasgow's James Watt School of Engineering, er den tilsvarende forfatter til papiret. Kolleger fra Khalifa University i De Forenede Arabiske Emirater og University of Cambridge i Storbritannien bidrog også til forskningen.

Dr. Kumar sagde:"De unikke egenskaber ved PEEK har gjort det uvurderligt for mange industrisektorer, og vi håber, at de kulfiberkonstruerede PEEK-mobilstrukturer, som vi har kunnet bygge via 3D-print, åbner op for flere muligheder.

"3D -udskrivning giver os en bemærkelsesværdig kontrol over designet og densiteten af ​​den cellulære struktur. Det kan give os mulighed for at bygge materialer, der mere ligner fysiologien i den indfødte knogle end de faste metallegeringer, der traditionelt bruges i medicinske implantater som hofte eller knæudskiftninger, muligvis gøre dem mere komfortable og effektive.

"Vi håber, at disse cellulære former for letvægtsmikroingeniører, selvfølende PEEK, vi har udviklet, finder nye applikationer inden for en lang række områder, ikke kun inden for proteser og andet medicinsk udstyr, men også inden for bildesign, rumfartsteknik, og olie- og gassektoren. "

Holdets papir, med titlen "Energiabsorbering og selvfølende ydeevne af 3D-trykte CF/PEEK cellulære kompositter, "udgives i Materialer og design .